고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 최근의반도체 TVS 소자가과거의기술에비해동작속도, 크기, 이동성, 잡음필터에대한성능상의장점을많이제공하게되었다. 따라서반도체 IPD 기술로 TVS 소자와수동소자를실리콘기판에집적한 ESD/EMI 칩이휴대전화, 고속데이터선, USB, IEEE1394, HDMI에흔하게채용되고있다. IT 전자제품에서는데이터의전송속도가 400Mbps 이상으로높아지면서정전용량이수 pf 정도로아주낮은저전압 TVS 칩의기술개발이중요해졌으며, 자동차와신재생에너지산업분야에대한전장화의증가로고전압-고전력 TVS의필요성도커지고있다. 마찬가지로 LED를이용하는센서와통신에있어서고속동작, 신뢰성, 잔상및잡음제거를위하여 ESD/EMI용소자와회로에대한기술개발이더욱요구된다. 글 : 심규환 / 전북대학교반도체과학기술학과교수, ㄜ시지트로닉스대표 khshim@jbnu.ac.kr / www.jbnu.ac.kr 서론 반도체 TVS(Transient Voltage Suppression) 소자는전기전자제품에매우다양한형태로사용된다. 유비쿼터스멀티미디어시대를향하여 IT기술의진화가거듭되면서 ESD/EMI 대응을위한 TVS 소자및칩의성능과신뢰성에대한변화가요구된다 (1-3). 특히 HBM(Human Body Model), MM(Machine Model), IED-6100-4-2의 ESD 뿐만아니고 EFT(Electrical Fast Transient: IEC61000-4-4) 와낙뢰 Surge(IEC61000-4-5) 에대응하여나노반도체소자, 회로및부품을안전하게보호할수있어야한다. 휴대전화기, 디지털카메라, MP3 플레이어, PDA와같은휴대형제품은수시로정전기나전자기파와같은외부의환경에노출되어사용된다. 신호선에서데이터전송속도는점점빨라지고, 작은공간으로인하여고주파클록회로와가까이설치되어야하는요구도수용해야한다. 따라서 ESD/EOS 및 EMI/RFI에대한방지대책은더욱중요해졌고, TVS 소자를이용한 ESD 및잡음방지에대한집적화기술개발이활발하다. 마찬가지로스마트폰의확산과터치센서스크린, 태양전지, 자동차및의료기기의전장화에고전력이나고신뢰성에대한요구는당연하다볼수있다. 오랜동안차폐케이블, crowbar, 필터, 클램핑소자등이 TVS 소자로서 EMI 문제를해결하는데사용되어왔으며, 현재 [ 그림 1] 과같이신기술인애벌랜시다이오드 TVS 소자를집적한칩에대한채 054
고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 용이증가하고있다. 반도체 IC 기술의진보에의하여 TVS 다이오드를수동소자와집적한 IC 칩은 ESD/EOS 및 EMI/RFI의솔루션에있어서성능, 신뢰성, 가격, 설치공간에대한장점을제공하게되었다. 향후반도체집적기술을기반으로하여고속동작, 소형화, 신뢰성에대한대표적인장점을지닌반도체 TVS의활용도는더욱증가할것으로예상된다. 따라서이글에서는과전압방지, ESD 보호, 고주파의잡음필터의용도로 HDMI, IEEE1394 I/F, 터치패널, 통신기기, 모듈회로등에널리활용되는반도체 TVS 관련기술동향을살펴보았다. TVS 의기술적배경, 종류, 동작원리 기술적배경천이형서지전압은전기전자제품의신뢰성을떨어뜨리는주요요인이다. 비정상적동작을회로동작및전자제품에발생시키는서지전압의원인으로근접회로에서의갑작스런부하의변화, 전원의불안정한요동, 커플된전선을통한간섭, 스위치동작, 번개, ESD 등이있다. 전원공급기와데이터전송선은과도한천이형서지전압이자주투입되는지점으로작용한다. 많은전자기기에서전원공급기는여러전자모듈과접속되어있기도하고, 여러전원공급라인이함께묶여있다. 따라서전원공급라인에기생하는정전용량과인덕턴스성분에의해발생된서지전압이데이터라인으로커플링되게된다. TVS 소자는천이하는전압을클램핑하고, 전류를외부로누출시켜라인과라인, 라인과접지의사이를보호하는역할을한다. 이때 TVS 소자는신호에간섭하여왜곡을일으켜서는안되고, 삽입손실이나누설전류를높이지않아야한다. 사용처에따라전압과전류, 정전용량에대한사양이다르고, 서지의종류도여러가지이므로보호용 TVS 소자도적합한사양으로제작되어야한다. 모바일용방송통신융 복합무선통신기기에서차세대무선 LAN은 100~600Mbps의전송속도를제공하며, 무선 VoIP 단말, 모바일 IPTV 셋탑박스및단말, 노트북, PDA 등을사용해무선으로초고속멀티미디어서비스를제공하는데 RF/ 아날로그 / 디지털신호의간섭을배제하여잡음을최소화하여화상과음향의품질을높이기위해고성능 TVS 칩셋이핵심부품으로사용된다. TVS의종류 TVS 소자는 [ 그림 2] 와같이케이블, 크로우바 (Crowbar), 클램핑소자, 필터소자로구분될수있다. 대부분의시스템들에는이러한 TVS 소자들각각의장점을조합하는회로를구성하여이용한다. 그중에서클램핑소자는일정한전압을유지하기위하여임피던스를순간적으로변화시킨다. 항복전압아래의낮은전압에서이소자들은커패시터와병 그림 1 ESD/EOS/EMI TVS 칩셋의핵심기술과응용분야 ( 지식경제부, 2010 부품소재기획보고서 ) 055
렬로하는높은저항으로단순하게모델링된다. 그러나만일전압이항복전압이상으로증가하면소자의저항은감소하여클램핑전압을유지하게된다. 전압클램핑용 TVS 소자에금속산화물바리스터 (MOV), 고분자, 제너다이오드, 애벌랜시 TVS 다이오드가사용된다. 고분자가변저항은축전용량이매우낮은 TVS 소자를만들수있어서고속의신호선에유용하다. 단, 고분자가변저항의전기적특성은싸이리스터와유사하여전기적특성에서스냅백을보인다. 트리거전압을 1 kv로높일수있으나클램핑접압은보통 20~50V 정도로높다. 그리고고분자가변저항의수명은유한하여보통 1,000~5,000회정도에한하여서지를보호할수있다. 그림 2 그림 3 TVS 소자의종류 [1] Crow-bar 소자의 ESD 보호에대한 TLP 측정과 snap-back I-V 특성 MOV는현재까지많이사용되며가변저항의기능을가지며부품의기본적인작동은클램핑전압에도달하게되면동작전의높은임피던스가 μsec 속도로낮은임피던스로변하여서지를약화시킨다. 전류용량도대단히크며클램핑가변전압의범위가넓고, 부품의가격또한저가로많이사용한다. 대체로응답시간이수μsec 정도로느린셈이지만, 기본적인전원과통신회로의저가형에사용된다. MOV는단일충격에강하지만, 다중충격에약해서장기적인신뢰성확보에불리하다고알려있다. 반도체 ESD 보호용소자로 Zener, TVS diode, SCR(Thyristor, BJT, MOS) 류가사용되는데, Zener는저항이커서 ESD에취약하고, SCR류는래치업에의해리셋이어려운단점이있다. 싸이리스터는 4개의 p-와 n- 층으로구성된다. 싸이리스터는스냅백이라는전류-전압특성을지니며, 스냅백이일어나는항복또는트리거전압은높고, 소자가턴-온이된후에유지하는클램핑접압은상대적으로낮게된다.[ 그림 3] 과같이, Crowbar 타입의싸이리스터는서지가인가되었을때, 트리거전압까지전 056
고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 압이증가되었다가그이상에서는스냅백현상에의해전압이큰폭으로감소하여다시금클램핑접압으로고정된다. 따라서전력용스위칭에유용하지만, 써지의보호용으로는잘이용되지않는다 (4, 5). 애벌랜시 TVS의동작원리및특성애벌랜시 TVS 다이오드의동작상의특징은제너다이오드와비슷하지만구조나설계규정상의차이로 TVS 다이오드가과도전류방지와저전압응용에더욱적합하다. 다만 ESD 완화와써지차단논문중상당수가 TVS 다이오드를제너라고부르고있는데다이두가지가동일한구조기호를사용할때가있어혼란이발생하기도한다. 본래제너는일정한전압을유지하는정전압회로를구성하는데사용되며, TVS 다이오드는정전기나서지펄스를클램핑하기위해이용된다. TVS 다이오드는제너다이오드에비해접합면적이크게설계되어피크에너지를흡수하는능력을높여서제작된다. 항복전압 (V B ) 이하에서 TVS 다이오드는임피던스가큰커패시터로작용하지만, 인가전압이항복전압보다높게증가하면가변저항으로작용하여클램핑전압 (VC) 를일정하게순간적으로제어한다. 점점더낮아지는클램핑전압과나노초 (nano sec) 이하의고속스위칭이라는동작에대한요구때문에 TVS 다이오드가더욱필요로된다. TVS 다이오드는과도전류의에너지흡수력이높지만, 디바이스의오프-모드에서정전용량이늘어나게된다. 디바이스의전력등급과정전용량은비례하게되므로, 고속의시그널포트용디바이스의경우이점이적절히조절되어야한다. TVS 다이오드를기술하는주요파라미터로는항복전압 (V BR ), 온도계수 (dv BR /dt), 최대동작전압 (V WM ), 최대클램핑전압 (V CM ), 최대피크펄스전류 (I PPM ), 최대피크펄스전압 (P PPM ) 등 6가지가있다. 고속의시그널라인보호용애플리케이션은접합정전용량 (C J ) 에도민감한데, 제조업체들은보통이접합정전용량을가장최악의동작조건인제 V BR : breakdown voltage at IT I T : test current V ST (=VRWM): stand-off voltage - usually 80% of VBR 로-전압상태에서값으로규정한다. V RWM : reverse working maximum voltage(max. off-state voltage) 간단한보호구조에서 HBM 모델 I R : maximum reverse leakage current V C : maximum clamping voltage P PPM : peak pulse power I PPM : max. IPP at max. Vc (Z S =1.5kohm) 의 V S =8kV 등급을 Z ZK : Zener impedance at IZK I ZK : Reverse current V BR(MAX) =7V인 TVS와 Zener에인도하는 I PP : maximum peak pulse current - maximum permissible surge current to be protected by the device(i.e., 100 A) 경우에대해 ( 그림 1) 의수식을이용해계산해보면, Z TVS =1Ω과 Z Znenr =20Ω일 TVS Zener 소자의전형적인 I-V 특성 : 일방구조와양방구조때, 각각 V CL ~12V와 120V 정도가예상그림 4 057
된다. 이와같이 Zener를사용한경우클램핑전압이 V CL ~120V로높은전압이인가된다면 ESD 보호를위한충분한역할을하지못하게된다. 따라서다이나믹저항이 1 Ω보다낮은 TVS가클램핑전압을작게제어하여정전기를효과적으로보호하는데가장중요한핵심요소이다. III. 반도체 TVS 의응용 고전력 TVS 소자고전력 TVS의 PPP는 300W에서 2kW 수준까지, 고전압은수십 V에서 200V까지사용된다. [ 그림 5] 는항복전압이 ±7V인양방향 TVS 소자로부터측정된 TLP 특성이다. 누설전류는 <10pA, 다이나믹저항 (R D ) 은 0.15~2 Ω, I t2 =18 A, V c =14V로서칩크기가아주작아 200μm x 200μm 이므로극히우수한성능으로판정된다. 따라서동일한기술을적용하면칩크기에따라 2kW급도가능하다. 자동차파워트레인에있어서고전력 TVS 소자를개발하여 ISO-7637-2, JASO A-1 (14 V, 27 V) 표준에대응하여 Load dump 보호에응용한다. 솔레노이드가작동하는연료주입, 밸브, 모터, 압력제어단으로부터주입되는 ESD, Spike 잡음, 써지전압등이방호되어야한다. 차량환경에서과도전류에대한전력레일응용 (ISO7637-2) 과전위차계 (ISO10605) 에대한고려가필요하다. 전력레일보호는레일-투-레일에 25kV ESD(Vc=30~35V), Ip=12 A, PPP=360W가요구된다. 전위차계는 LCD 스크린, Knob, 데이터라인커넥터를보호하는표준으로 IEC61000-4-2와동일한 150 pf/330 ohm의 ESD 에대한보호이며 USB2.0에해당하는경우 480Mbps 전송라인을위해 2.5pF의정전용량과 fc=5ghz인사양의 LC(Low Capacitance) TVS가요구된다. 예로써셈텍의 LC03-6은 LC-TVS인데 IEC61000-4-5(lightning) 표준에서 100A(8/20μs) 피크전류와 2kW의피크전력에대한사양을제공하여매우강력한 ESD 대응력을보인다. 고전류단과저전류단의차별화된 ESD/EMI의정밀보호를위해서는이단계 ESD/EMI 회로의칩세트가적합하다. 고전류단은하나의 TVS에의해보호를하고, 저전류단의민감한회로에는인덕터를사용하는 LC 회로를통해클램핑전압을철저히낮게제어해준다. 이러한방식은뒤에서언급되지만, 정전기에매우취약한 GaNbased LED를더욱완벽하게 ESD와과전압으로부터보호하는데유용하게사용될수있다. 이경우 LED 보호용 TVS칩의가격이매우높아지게되므로고가의제품에한정하여채용될수있다. 그림 5 양방향 TVS 소자의 I-V 특성과 TLP 특성 (Sigetronics) ESD/EMI Filter 칩 EMI 필터용 TVS 소자는여러형태가가능한데그중에서가장인기있는형태는 [ 그림 8] 과같은 LPF(Low Pass Filter) 이다. LPF는신호의전달율을줄여서서지펄스의크기를감쇄시킨다. 단순한필터는전압을클램핑하지않기때문에애벌랜시 TVS 소자와같은클램핑소자를추가하여보호하려는회로 058
고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 를최대전압을이하로확실하게제어한다. 필터의장점은정상적으로동작하는순간에도잡음의신호를감소시키 는점이다. 반면에 crowbar나클램핑소자는과도한천이동작이일어나는동안만작동한다. 필터소자로 Feed-through 캐패시터, 필터컨넥터, 페라이트구슬, RC(Resistor Capacitor) 필터, LC(Inductor Capacitor) 필터, 공통모드초크를들수있다. EMI 필터는여러형태로회로에적용할수있는데, 파 이형과티형과같이필터네트워크에입력 되거나출력되는신호를모두감쇄시키는 검이장점이다. R 1 과C 1 은필터네트워크 로입력되는고주파신호를감쇠시키고, R 1 과C 2 는출력하는신호의고주파잡음 을줄여준다 (6). 파이형 RC 필터는 -40dB/decade의 큰감쇠성능으로 800MHz 이상에서유 용하며, 티형 RC 필터가 -20dB/decade 의감쇠를제공하는데비해유리하다. 또 한양방향이 symmetry하여입출력 RFI 에공히작용한다. 단, 축전기와연결전선에기생하는인덕턴스에의해 800MHz 이상의주파수에서공진을발생시킴으로써감쇄성능이저하할수있다. 직렬로기생하는인덕턴스에의해 Notch같은현상이발생하므로, 1~3GHz 대에서더낳은필터의감쇄성능을위해서는기생인덕턴스가 0.5nH 이하가되어야한다. 휴대전화기의경우카메라모듈, 디스플레이제어모듈, 스마트카드 /SIM 카드모듈, USB 데이터포트, 마이크로폰 / 오디오스피커에 6~12개의필터가조립된다. 블루투스, WLAN 802.11b(2.4 GHz) 의경우도케이블을통하여과다한 EMI 를방사하거나원하지않는 RF를받게되므로 EMI 필터와잡음성능의만족시키는소자가필요하고, 전자파방사의수준을만족시켜야한다. 세라믹부품또는필터어레이솔루션은실리콘기반제품과는달리튜닝후오직하나의특정밴드 1GHz 이하, 1.6GHz의 GPS 혹은 1.8GHz에서시작 그림 6 그림 7 자동차파워트레인보호를위한 TVS 소자의응용 (Vishay) 고전류단과저전류단의 ESD/EMI를보호하는이단계 ESD/EMI 필터회로 (Vishay) 하는고주파수중 - 하나만을필터링하 그림 8 애벌랜시 TVS 다이오드를이용한필터회로 [1] 059
므로, 모든다른밴드를희생시키고하나의싱글밴드만을필터링하는것은여러 TIS(Total Isotropic Sensitivity) 문제중하나만을해결하므로핸드셋수신에효과적인솔루션이되지못한다. TVS EMI 필터는다이오드의충전용량을이용한다. 애벌랜시다이오드 EMI 필터는개별소자의수를감소시켜 PCB 상의소요면적을줄여준다. LC 또는 RC 필터를사용하는선택은 L 또는 R에의해소모되는전력의양에의한다. 즉, LINE에서 R과같이저항성을가질때부하의측의전압강하가있어서곤란한경우는인덕터를사용하고, 저전압높은주파수에서도유용하다. IPD 기술로 L, R, C를 TVS와같이집적한다. 레지스터에실리콘다결정이나 TaN 박막을사용할수있는데, TaN은면저항 300~500ohm/sqr, TCR=100ppm/C로다결정실리콘의 1000ppm/C 수준에비해안정하다. 커패시터는 MSM, P-N junction, NON 등의구조를사용할수있는데, ONO의 20um 되는트렌치를이용하면 30nF/mm 2 의고밀도정전용량소자를제작할수있다. 인덕터는 Al, Cu의금속배선을다층으로활용해대략 5um 두께로하여저항성분을최소화함으로써 L=0.5~20 nh, Q=10~30@1~2GHz로이용할수있다. [ 그림 9] 는 Z-R-Z Pi형필터의삽입손실에대한주파수특성을보인다. GSM 밴드 (800, 900, 1,900MHz) 의휴대전화의안테나에서방사되는 RF신호와고속 CMOS센서와 TFT 모듈, 고속데이터신호선들은 EMI/RFI와 ESD 문제를야기시킨다. 마찬가지로블루투스, WLAN 802.11b(2.4GHz) 의경우도케이블을통하여과다한 EMI 를방사하거나원하지않는 RF를받아들인다. 따라서 EMI 필터를입출력단자의근처에설치하여방사를최소화하고, RF 밴드의잡음과원하지않는하모닉스를억제하도록한다. 고성능 EMI/ESD 필터의주요특성 (7, 8): - 낮은삽입손실 (S 21 <8 db @ f< 10 MHz) - GHz 대역에서의높은고주파감쇄 (S 21 ~ -30 db) - 높은차단주파수 (F 3dB > 100~600 MHz) - 채널사이의작은간섭 (S 41 ~ -60 db) - 정전기방호에대한높은내전압 (IEC61000-4-2 Level 4, ±8 kv) - 이동기기에적합한소형, 저저항패키징 (SOT, UDFN) - 높은신뢰성 (MTTF> 100,000 hr) 그림 9 온웨이퍼측정된 ESD/EMI 필터의주파수특성 ( 시지트로닉스 ) 상술된바와같이비디오신호의무결성이나베이스밴드제어회로에손상을줄수있는 ESD/EMI를확실하게방지해야하는점은중요하다. 디스플레이의케이블에사용하는주요임피던스는 100 Ω(±10%) 이므로필터의설계에주로 100 Ω 임피던스를적용한다. 그런데, 최근에카메라나 LCD의클록주파수는 8~12 MHz에서 >30 MHz 이상으로높아지는추세이다. 따라서과거에비하여낮은정전용량을갖는 TVS 소자 060
고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 가필요로된다. 예로써 Pi형필터에서 C 1 =C 2 =27pF의경우 fc=59mhz이지만, C 1 =C 2 =8.5 pf 로감소시키면 fc=190mhz로높일수있다. 대부분데이터라인에양의신호만있어서단방향 TVS 제너다이오드를사용하지만, 오디오용회로에는접지에대해양음 (+5~-5V) 전압이신호에공존하므로양방향의 TVS를사용해야한다. [ 그림 10] 은도핑농도를급격하게제어할수있는에피성장기술과저온공정기술을적용하여제작하는고성능의 TVS를적용한필터칩이다 (6). 즉, 다이나믹저항이 0.15~2 Ω, V BR = ±7V인양방향 TVS를적용하였다. Pi형 T-R-T 필터에서 R=100 Ω, C=4~17 pf로하여 f c =15-~600MHz로조절할수있다. ULC-TVS 칩어레이 IT 세트에서데이터전송을위한신호선은전송속도가증가함에따라 ESD 보호에있어서특별한주의를요하는데, 정전용량을최소화하여신호의무결성을보호하는 TVS array를적용한다. 최근에는정전용량을극히낮은 (ULC: Utra Low Capacitance) 0.3pF 수준으로기술이발전하고있는데, 이를위해서는항복전압이 100V 이상이되는 PIN 스티어링다이오드를하나의칩에집적하는방식을선호한다. 소자들을작은면적에집적하면서 PIN 스티어링다이오드의누설전류와항복전압을유지하고, 동시에 TVS 소자의 ESD 성능을유지하는기술이핵심이다. TVS 다이오드들은 [ 그림 11] 과같이어레이로구성하여고속의데이터를전송하는 CAN (Controller Area Network) 를보호하는데이용될수있다. 그림 (a) 의경우동일한네개의 TVS를가지고양방향어레이를구성하였다. 클램핑전압은순방향으로걸린다이오드의턴-온전압에역방향으로걸린다이오드의항 (a) 복전압을더한값으로결정된다. 양방향 TVS 는길이가큰케이블을사용하는응용에유효하고, 또한발신과수신을위한모듈이다른경우에발생하는옵세트전압의문제를해결하는차동증폭기에적절하다. 보통의 PIN 다이오드와 TVS 다이오드를함께조합한형태의어레이도역시데이터라인을보호하는데흔하게이용된다. 신호선에서서지가V DD 이상이나접지전압이하로되는경우크램핑접압에걸리게된다. 그림 (b) 에서조종 (steering) 다이오드인 D 1, D 2, D 3, D 4 의다이오드는정전용량을낮게설계하여빠른 turn-on 이되도록하고, Z1은서지동안에전력을대부 (b) 분소진시키도록동작한다. 그림 10 패키징된 ESD/EMI필터종류와 (b) SOT523 패키징된 ESD/EMI 필터의주파수특성 (6) 061
그림 11 그림 12 LED 용 TVS 서브마운트과거에 LED 소자는정전용량이크고, 루미네슨스의시간상수가길기때문에통상적으로광통신에부적합하여사용되지않았고, 대신고성능레이저다이오드가활용되었다. 그러나최근 GaN-based LED가디스플레이는물론각종조명에이용되면서점차일상생활에응용할수있는 LED 센서와통신에대한기술개발이활발해지고있다. 데이터전송의속도가느리긴하지만, 다양한빛상태에노출되는환경에서 LED를이용해수 Kbps에서 Mbps 까지무선광통신을하는기술개발은매우매력적이라할수있다. TVS는 Blue, Green, White 빛을내는 GaN LED의 ESD 방호에활용. 특히, 20 kv 이상인고내전압특성이요구되는옥외용조명기기의정전기방호소자로서유용하여, 주로조명용고효율 LED에사용한다. [ 그림 12] 의크리 (Cree) 는 XLamp LED에, CMD는 LuxGuard에, Limileds는 Luzeon에하나같이양방향 TVS 서브마운트를적용하고있다. 양방향 TVS sub-mount는직접부착해야하는수직형 LED 모듈에매우유용하며, 단일방향소자에비해양측방향에서진입한 ESD에대해빠르게동작하여클램핑하는기능을갖는다. 고휘도 LED에서열방출이심하므로열전도도가높고열응력에대한매칭이되어야신뢰성을높일수있다. [ 그림 13] 과같이최근에 UHB(Ultra High Brightness) 인수직형 LED를조명용에사용하려는시도가커지면서 10W 를넘어서 100W급으로발전하는과정에서양방향 TVS 서브마운트와조립되는여러방식의패키징에대한시도가활발하다. OnChip에서는더욱완벽한 ESD 보호를위하여인덕터를사용하여 Pi형 LC 필터와동일한구조의 TLT 타입의서 CAN 데이터라인보호를위한구조 [1] 브마운트를제시하기도한다. 이경우클램핑전압을 TVS의항복전압과별차이가없는수준으로조절하여과전압이 LED에인가되지않도록철저히방어할수있다. CMD(California Micro Devices) 는초고휘도발광다이오드 (UHB LED) 인 LuxGuard를발표하였다. 실리콘서브마운트를사용해리드프레임과 LED 사이의열팽창에의한응력을완화하여 15kV HBM에대한 ESD 보호성능을제공하는제품이었다. LED를 ESD로부터보호하는데 TVS는매우유용하다. 고출력 LED는전류-전압이높은동작조건에서작동하므로 ESD에더욱취약 LED의정전기보호를위한 TVS 의적용사례와 ESD 펄스의형태 (Osram, Sigetronics, Cree) 하여추가적인 ESD 보호가필요하다. 062
고성능 ESD/EMI 응용을위한반도체 TVS 의기술동향 ESD 등급은다이의크기에의해결정되는데보통 8~15kV HBM으로이용된다. CMD는 TVS를이용하여단방향 과양방향이가능하고, 여러등급의항복 전압으로조절할수있고, 다이의크기와 금속접합의종류를다양하게조절할수 있었다. 그리고 LED 디스플레이의응용 에있어서양방향 TVS는누설전류를줄 여서매트릭스형태의구조에서이미지의 잔상현상을감소시키는데중요한역할을 한다. ESD 테스트는그림 14(a) 와같이 ± 방 향의고전압펄스를 5회인가한후에소 자의전기적동작특성을측정하여평가한 그림 13 양방향 TVS 서브마운트에수직형 LED 를조립한구조 (CMD) 다. TVS 보호를받지않는 LED 소자는 ESD 전압이 1~2kV 사이에서역방향누설전류의증가가 10배정도일어난다. 반면에 TVS 보호를한 LED 소자는 8kV의 ESD에의해서도미소한변화만을보인다. 이렇게 TVS 보호가없이는 ESD 전압이 ~2kV 이하에서역방향누설전류가급격히증가하는현상으로부터정전기에의한 degradation이심각함을보인다. 그림 14(b) 는ESD에의해 LED의광방출효율이저하되는정도를보여준다. TVS 보호가없는 LED는 2kV 부터광루미네슨스의감소가이미시작되었으며, 8kV에의해서는발광효율이 50% 대로떨어졌다. 반면에 TVS 보호가되는 LED의경우는 8kV에의해서도극히미소하게변화하여정전기로부터매우안정하게보호되었음을나타냈다. 위에서 GaN-based LED는 2kV의정도의낮은 ESD 전압부터광-기적특성이심하게저하되어누설전류가증가하고발광효율이격감하였다. 즉, 품질이좋은 GaN-based LED에대한테스트였음에도불구하고, ESD에취약한심각성을보였다. 따라서다이내믹저항이 1Ω 이하의고성능 TVS를채용하여클램핑전압을 그림 14 (a) (b) GaN LED의 ESD 보호에대한 TVS 의효과를보여주는 (a) 역누설전류의변화와 (b) LED 발광전력의변화 (9) 063
아주낮게제어하는것이 LED 의신뢰성확보에필수이고, 중요하다는점을심각하게인식해야한다. 맺음말 반도체집적기술에의한 TVS 칩은고속동작, 소형화, 신뢰성에있어서세라믹이나고분자제품과차별화되며, ESD/EMI 보호를위하여 IT 전자기기에널리활용된다. 데이터전송속도가 400 Mbps 급을초과하는무선전송및멀티미디어기술이확산되어크기가작으면서빠르게동작하는반도체 TVS칩이필요로된다. 더불어서 PPP를높인고전압-전력형 TVS는물론 IPD 기술로집적한칩에대해주목해야한다. 그리고최근센서네트워크와같은기술의발전에따라 TVS 소자를센서용은물론조명과통신용고휘도 LED에적합한구조로사용된다. 향후자동차, 태양전지, 바이오-의료분야에전장화가가속되어 ESD/EMI 보호를위한반도체 TVS 칩도성능과신뢰성에대한고급화가진행될것으로예견된다. 참고문헌 (1) J. Lepkowski, An Introduction to Transient Voltage Suppression Devices AND8229/D, ON Semiconductor Application Note, July 2005, pp.1-8. (2) S.S. Choi, D.H. Cho, K.H. Shim, Development of Transient Voltage Suppressor Device with Abrupt Junctions Embedded by Epitaxial Growth Technology, Electronic Materials Letters, Vol. 5, No.2, 2009, pp.59-62. (3) 심규환, LED 의정전기보호용제너다이오드기술, 월간전자부품, July, 통권 57 호, 2009, pp.38-48. (4) http://www.sigetronics.com, www.calmicro.com, www.nxp.com, www.onsemi.com (5) S.H. Voldman, ESD Failure Mechanisms and Models, Wiley, 2009. (6) 최상식, 조덕호, 심규환, TVS 를이용한 ESD 보호및잡음필터기술동향, 정보통신산업진흥원, 주간기술동향 1416 호, 포커스, Sept. 2009, pp. 1-18. (7) R. Hurley, Design Considerations for ESD/EMI Filters: I AND8200/D, ON Semiconductor Application Note, June 2005, pp.1-18. (8) U. Sharma, H. Gee, P. Holland, R. Liu, Intrgration of Precision Passive Components on Silicon for Performance Improvements and Miniaturization, IEEE 2nd Electronics System Integration Technology Conference, Greenwich, UK, 2008, pp.485-490. (9) 최상식, 조덕호, 심규환, LED 반도체조명학회지 (to be published) The leading edge e-magazine 시간과장소를초월하여항상최고의서비스를약속합니다. w w w.epnc.co.kr 디지털프런티어의 Innovation 엔진 ( 주 ) 테크월드 e-mail:webmaster@techworld.co.kr 064